- 汽车零件热处理实用技术
- 王忠诚 王东
- 16字
- 2020-06-24 23:38:53
第1章 汽车零件的材料与热处理特点
1.1汽车用钢的要求与选材
通常汽车约由三万多个零件组成,材质以金属材料为主。其中,钢铁材料约占汽车总质量的80%左右,非铁金属材料占3%~4.7%。汽车中的钢铁材料主要包括钢板(约占50%)、新型弹簧钢(悬架系统用硅钢板)、低合金微调质钢(含有V、Ti、Nb)、高性能钢板、镀覆钢板、齿轮用钢等。非铁金属材料主要有铝合金、铝基复合材料、镁合金材料和钛合金材料等,可用于制造车轮、气门座圈、排气系统部件等。另外,还有铁基粉末冶金材料,可用于制造轴承、进排气门、凸轮、齿轮和支架等。
由于钢铁材料具有强度高、成本低、加工难度小、生产工艺成熟(易铸造、易成形、易切削加工和易焊接)、容易回收和再利用等优点,故成为汽车制造中最重要的材料。
非铁金属材料中的轻金属具有材质轻、导电性好等特性,在汽车制造中应用量呈上升趋势,如铝、镁、钛等材料可减轻汽车质量,是提高节能性和环保型的首选材料,另外,具有比强度和比刚度均高、易加工成形、阻尼减振性和电磁屏蔽性强、废料易回收等特点。因此,非铁金属材料是汽车制造业必不可少的材料。
汽车材料的选用应符合以下要求:承受正常工作所产生的应力与应变,具有低的材料成本和加工成本,不破坏环境并可回收。
1.1.1汽车用钢的种类
用于制造汽车的钢材品种主要包括型钢、热轧中板、热轧薄板、钢带、优质钢材和钢管等,其中以薄板与优质钢材为主。
热轧钢板主要用于载货汽车车架纵梁、横梁、车厢横梁、车轮轮辐,轿车车轮轮辋与轮辐等。热轧薄板用于制造车身,其要求钢板成形性能良好、表面质量好。轿车车身采用电镀锌板、热镀锌板等。优质钢材包括碳素结构钢、合金结构钢、弹簧钢、易切削钢、冷镦钢、耐热钢等,其中以齿轮钢用量较大。表1-1为我国汽车用钢铁材料种类及其比例。
表1-1我国汽车用钢铁材料种类及其比例 (%)
1.冷轧板、带
冷轧钢带是制造汽车覆盖件与车体内部加强板、防护板、连接板以及梁等最主要的材料,其他应用板材多为冷轧板及镀锌板,轿车的冷轧板用量为450~550kg。
冷轧板在客车上用作蒙皮,在小型和微型客车上主要用于外覆盖件与加强板和梁等。
冷轧板在载货汽车上用作外盖板、顶盖板、翼子板、保险杠以及内板等。
2.热轧板
轿车采用热轧薄板制造垫板、支架、冲击桥壳以及轮辋和轮辐等;客车用热轧薄板制造各种支架和底座等;载货汽车用热轧薄板制造车架和车厢横、纵梁等。
1.1.2高强度钢板及应用
该类钢板是指经过固溶强化、析出强化、晶粒细化强化和应变组织强化的组合设计,并能满足强度和加工性能要求的材料,其强度与相对密度的比值高于相应的传统材料,通常将抗拉强度在370MPa以上的热轧钢板和340MPa级以上的冷轧钢板称为高强度钢板。
1.分类
高强度钢板可按冲压级别、生产工艺、强化机理和屈服强度进行分类,通常按生产工艺分为冷轧高强度钢板和热轧高强度钢板。冷轧高强度钢板用于汽车车身零件,如车门、发动机外罩板和内罩板以及车身结构件等;热轧高强度钢板则用于制造载货车横纵梁、车轮、制动盘等。
2.高强度钢板的应用
汽车外板,如发动机机罩、车门、行李架、侧围外板等,应用了340MPa级烘烤硬化型钢板(BH钢板)和440MPa级高强度材料,车身骨架部件采用440MPa和590MPa级别的高强度材料,结构支撑件材料的级别已达800~1000MPa,制造前后保险杠、横纵梁和柱等。车身主要部位采用热成形钢板可大大提高车身强度。有资料指出,高强度钢板在汽车上的使用率将超过70%。
1.1.3汽车零件结构及加工工艺特点对材料的技术要求
表1-2为汽车部件分类及对钢材的技术要求。
表1-2汽车部件分类及对钢材的技术要求
1.车身对钢材的要求
汽车用钢材(包括热轧钢板、冷轧钢板和镀层板等)是汽车上的主要原材料,减轻汽车自重的高强度钢板主要用于汽车外壳和结构件,主要有汽车表面用钢板和汽车车体用钢板。汽车车身使用的材料主要有薄钢板、镀锌薄钢板、薄铝板、合金板等。
2.车轮对钢材的要求
汽车车轮轮辋经下料卷圈、闪光对焊、水冷、去飞边、扩口、滚形扩展、打充气孔等工序完成;轮辐则经过正拉深、反拉深、镦形整形、冲孔、修边、冲螺栓孔、挤球形翻边等工序完成,最后采用CO2保护焊将轮辋和轮辐组装成车轮。
3.齿轮对钢材的要求
为解决齿轮损伤问题,对齿轮用钢进行二硫化钼的涂覆等润滑处理,同时应采用高强度和无需润滑处理的材料等。
4.连杆对钢材的要求
要求连杆具有良好的综合力学性能,其应采用调质钢制造,也可采用非调质钢等代替碳素结构钢来制造汽车发动机连杆。
5.弹簧对钢材的要求
从传统材料的1000MPa级向1200~1300MPa级的高强度化方向发展,在实现弹簧高强度化的过程中,同时要考虑到永久变形性、疲劳强度、腐蚀环境下的疲劳寿命等,即高弹性与高的疲劳极限的有机结合,通常选用的材料有65Mn、60Si2MnA、50CrVA等。气门弹簧的钢丝疲劳寿命要求达到2300万次,因此对弹簧钢丝的生产稳定性要求十分苛刻。
6.气门对钢材的要求
要求气门材料在工作条件下,耐热、耐腐蚀、抗氧化及耐磨,且具有良好的导热性,即具有良好的综合力学性能。
7.冷镦件对钢材的要求
汽车用紧固件(如螺栓、螺钉和螺母等)的工作条件较差,工作应力明显提高,要求紧固件用钢具有更高的强度。常用冷镦钢的强度级别为700~1000MPa,目前其要求提高到了1100MPa以上,同时也提出了抗延伸破坏性能、耐蚀性和加工性能等方面的要求。
对于抗拉强度超过1200MPa的螺栓,在静态应力作用下,经过一定时间会出现延迟断裂,为此需要采取减少晶界偏析、细化晶粒和提高回火温度等措施。
1.1.4汽车主要零件的选材
1.发动机缸体、缸盖和缸套
考虑到发动机的缸体、缸盖要承受燃烧过程中高温、高压和高速运动件的振荡力和摩擦磨损,同时要承受重力以及螺栓拧紧时局部巨大的压应力等作用,其应具有较高的强度、良好的铸造性能和机械加工性能,缸体材料多采用灰铸铁(HT200或HT250)和铝合金等。轻型化和小型车的缸体、缸盖多采用铝合金,用铸铝件代替铸铁件。
缸套采用耐磨材料,一般采用高磷铸铁、硼铸铁、合金铸铁等耐磨铸铁等制造,采用镀铬、表面淬火、喷镀金属或其他耐磨合金的方法对缸套进行表面处理,目的是提高其耐磨性。
2.发动机曲轴
发动机曲轴在工作中承受弯曲、扭曲、剪切、拉压、冲击等交变应力的作用,其主要失效形式为疲劳断裂和轴颈磨损等,锻造曲轴和铸造曲轴采用的材料是不同的,锻造曲轴一般采用中碳钢和中碳合金钢制造,如30、45、35Mn2、35CrMo、40Cr等。铸造曲轴多采用铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁及合金铸铁等,如ZG230-450、QT600-3、QT700-2、KTZ450-06、KTZ550-04等。
3.活塞组件
在发动机运转过程中,活塞组件受到周期性变化的高温高压燃气的作用,其工作温度高达2000℃,同时在气缸内高速往复运动时产生很大的惯性力,并承受交变侧向力,工作条件十分苛刻。
(1)活塞材料 要求活塞材料具有耐热性和导热性好,吸热少,膨胀系数小,减摩性、耐磨性、耐蚀性和工艺性好的特点。由于铝合金导热性好、密度小,而硅能使膨胀系数减小,提高耐磨性和耐蚀性,并能提高强度、硬度和刚度等,故活塞材料常选用硅铝合金,并进行固溶处理和时效处理。
(2)活塞环材料 要求耐磨性与耐热性好、韧性佳、易磨合,并具有良好的加工性能。目前活塞环多采用以珠光体为基体的灰铸铁,或采用在灰铸铁中加入一定数量的铜、铬、钼、钨等元素的合金铸铁,也可采用球墨铸铁或可锻铸铁。为了提高活塞环的使用寿命,还要进行镀铬、喷钼、磷化、氧化等表面处理,目前应用十分广泛的为表面镀铬,可提高寿命2~3倍。
(3)活塞销材料 要求具有足够的刚度、强度和耐磨性,并具有较高的疲劳强度和韧性,一般选用20、20Cr、18CrMnTi等低碳合金钢(渗碳钢),并进行渗碳或液体碳氮共渗的表面处理,以满足其工作需要。
4.气门
气门在发动机内工作时,承受较大的机械载荷、热负荷和相当大的冲击,要求具有良好的密封性,因此要求材料具有耐热性、耐磨性、耐蚀性等特点。因进、排气门的工作条件不同(进气门工作温度为300~400℃,排气门则达到650~850℃),故选用的材料不同。按QC/T 469—2002《汽车发动机气门技术条件》可知,进气门采用合金结构钢和部分马氏体耐热钢,而排气门则选用马氏体耐热钢、奥氏体耐热钢以及高温合金等。
5.齿轮
汽车用齿轮数量较多,其受力较大、冲击频繁,主要失效形式为齿面磨损、疲劳断裂、齿面接触疲劳破损等,故要求材料具有很高的强度和疲劳强度,并具有良好的冲击韧度和耐磨性。目前国内汽车齿轮用材多选用20Cr、20CrMnTi等合金渗碳钢,并进行渗碳、淬火以及低温回火处理等,个别采用等温淬火球墨铸铁材料制造。
6.螺栓、铆钉等连接零件
螺栓、铆钉等连接零件主要起连接、紧固、定位等作用,连接零件不同,工作条件和受力也不同,故材料的选用是不同的。通常螺栓、铆钉等连接零件采用一般冷镦钢材,而高强度螺栓采用回火马氏体钢和贝氏体钢。
7.半轴
半轴主要承受扭转力矩和一定的冲击载荷,要求其材料具有较高的综合力学性能,即具有很高的抗弯强度、疲劳强度和良好的韧性。通常半轴采用调质钢,并进行喷丸处理及滚压凸缘根部圆角强化处理。一般中小型汽车半轴采用45和40Cr钢,重型汽车则采用40MnB、40CrNi、40CrMnMo等淬透性较高的合金钢。
汽车主要零件(发动机与底盘)的材料选用情况见表1-3。
表1-3汽车主要零件(发动机与底盘)的材料选用情况
(续)